Проектування систем гарячого водопостачання з тепловим насосом: на що звернути увагу?

Роман Василенко,
провідний інженер, експерт з ВДЕ Viessmann Climate Solutions в Україні

Системи з тепловими насосами особливо ефективні при змінному навантаженні гарячого водопостачання. Завдяки цьому вони широко використовуються для модернізації систем теплопостачання. Розглянемо приклади розрахунку таких систем

Проектування систем гарячого водопостачання: оптимальний розмір накопичувальної ємності

При виборі оптимального розміру накопичувальної ємності для системи гарячого водопостачання варто враховувати такі фактори:

Добова витрата гарячої води – один із головних чинників, який визначає об’єм ємності. При великому споживанні гарячої води, ємність повинна забезпечити необхідну кількість гарячої води протягом дня на всі точки водорозбору.

Графік споживання води – споживання гарячої води нерівномірне (наприклад, у дитячих садках, школах або на підприємстві, де витрата відбувається переважно в робочі години), або одночасне використання кількох точок водорозбору, що також впливає на вибір об’єму ємності для забезпечення запасу гарячої води.

Приготування гарячої води тепловим насосом

Приготування гарячої води за допомогою теплових насосів може здійснюватися за різними видами схем та проводитися як паралельно з опаленням, так і окремо. При цьому, як правило, необхідне застосування накопичувальних ємностей.

У моновалентному режимі (рис. 1) тепловий насос як єдине джерело тепла покриває все навантаження гарячого водопостачання. Щоб мати можливість отримати температуру ГВП в ємнісному накопичувачі, що дорівнює 60°C, тепловий насос повинен мати температуру подачі 70°C.

При застосуванні моноенергетичного режиму (рис. 2) тепловий насос також є єдиним джерелом тепла для нагрівання ГВП до номінальних 60°C, але максимальну температуру подачі забезпечує електронагрівальна вставка в ємнісному накопичувачі. Це найефективніший спосіб нагрівання гарячої води. Тут же враховуються витрати електроенергії на циркуляцію ГВП.

У бівалентному режимі (рис. 3) тепловий насос несе основне навантаження на нагрів води, а другий теплогенератор покриває лише пікові навантаження. Ця схема дуже ефективна при нерівномірному навантаженні ГВП. Однак тут високі капіталовкладення та витрати на обслуговування додаткового теплогенератора.

Один із найбільш ефективних варіантів застосування теплових насосів у наш час — використання насосів типу «повітря/вода» для систем із великою витратою гарячої води протягом доби, а також для тих систем, де графік споживання гарячої води змінюється в різні дні протягом тижня або навіть усього року. Наприклад, дитячий садок, школа або офісний будинок. У таких системах гаряча вода витрачається у робочі дні, а у вихідні дні споживання води мінімальне або взагалі відсутнє. При цьому тепловий насос слід вибирати такої потужності, щоб у теплу пору року він забезпечував необхідну витрату гарячої води на 100%, а в опалювальний період, при низьких зовнішніх температурах, коли потужність та ефективність роботи теплового насоса знижуються, він працював для попереднього нагрівання гарячої води.

При проектуванні подібних систем для їх ефективної та економічної роботи дуже важливо враховувати залежність коефіцієнта ефективності теплового насоса СОР від температури подачі. Чим вища температура подачі теплового насоса, тим нижчий коефіцієнт ефективності СОР. Наприклад, при температурі зовнішнього повітря +20°C і температурі подачі +35°C коефіцієнт СОР теплового насоса становить близько 4, а при подачі +65°C — приблизно 2,7.

Можна побудувати просту систему з тепловим насосом, який працює на нагрівання бака запасу гарячої води з підтримкою постійної температури, наприклад, +50°C. При цьому тепловий насос працюватиме з постійно високою температурою подачі й, відповідно, з мінімальною ефективністю — з коефіцієнтом СОР близько 2,7. Або можна збудувати іншу систему, більш ефективну з точки зору роботи теплового насоса. Наприклад, система для дитячого садка, де добова витрата гарячої води становить 4000 л. Можна встановити баки запасу гарячої води для витрати води до необхідної температури, а споживання води відбуватиметься протягом дня без підмішування холодної води. Таким чином, середнє значення коефіцієнта СОР за час розігріву баків від +10°C до +55°C становитиме приблизно 3,5.

Проектування систем ГВП з тепловим насосом: ємнісні водонагрівачі

Ємнісний водонагрівач повинен відповідати певним вимогам, щоб працювати з тепловим насосом: потужність змійовика, що гріє, у водонагрівачі і поверхня його теплообміну повинні точно відповідати потужності теплового насоса.

Оскільки теплові насоси працюють із нижчою температурою подачі, ніж традиційні котли, то і теплопередача на змійовику, що гріє, водонагрівача через невелику різницю температур також буде меншою.

Встановлено, що для передачі одного кіловата потужності площа теплообмінника має становити не менше ніж 0,25 м². У теплових насосів типу «повітря/вода» без регулювання потужності компресора максимальна теплова потужність буде влітку, коли будуть максимальні температури зовнішнього повітря. Крім того, має бути забезпечена можливість передачі великої кількості тепла під час максимального водорозбору.

Спіральний теплообмінник не розташовується у верхній частині накопичувальної ємності, тому що низька температура подачі теплового насоса здатна охолодити верхню частину об'єму з максимальною температурою, яку забезпечує другий теплогенератор або електронагрівальна вставка. У компактних теплових насосах поверхня теплообмінника та обсяг накопичувальної ємності вже оптимально підібрані для спрощення процесу проєктування.
Якщо є потреба у великих витратах гарячого водопостачання або використовуються теплові насоси великої потужності, доцільно застосовувати ємнісні накопичувачі із зовнішніми теплообмінниками (рис. 4).

Для експлуатації ємнісного накопичувача разом із тепловими насосами розроблені так звані завантажувальні трубки. При їх використанні швидкість подачі гарячої води в накопичувальну ємність уповільнюється, що дозволяє здійснювати пошарове завантаження ламінарним потоком. Це необхідно, оскільки випарник теплового насоса працює з малим перепадом температур.

Проектування систем гарячого водопостачання з тепловим насосом: температура та гігієна

При проєктуванні внутрішніх систем гарячого водопостачання з гігієнічних міркувань потрібно дотримуватись основної вимоги: ємності запасу гарячої води повинні бути мінімальними для даної системи, щоб забезпечувалася постійна повна витрата гарячої води. Чим менший обсяг накопичувальних ємностей, тим продуктивнішими повинні бути теплогенератори.

Сучасні опалювальні пристрої з великим модуляційним діапазоном потужності дозволяють дотриматися цих умов і підібрати оптимальні пристрої без великих інвестиційних витрат.
При обмеженій потужності теплового насоса пікові навантаження покриватимуться теплом із ємнісних накопичувачів, тому важливо дотримуватися цих умов експлуатації при проєктуванні.
Робочий документ DVGW-W551 визначає різні гігієнічні аспекти установок малої та великої потужності. До установок малої потужності належать обладнання для індивідуальних будинків та котеджів з об'ємом накопичувальної ємності близько 400 л і з об'ємом теплоносія в системі внутрішніх сполучних магістралей між ємнісним накопичувачем та джерелом тепла не більше 3 л.

Багатоквартирні будинки, офісні приміщення та муніципальні об'єкти належать до установок великої потужності, з об'ємом ємностей понад 400 л і водомісткістю у кожній сполучній магістралі понад 3 л.

Приписи норм Євросоюзу вимагають дотримання рівня температури не менше 60°C у накопичувачі гарячої води для установок великої потужності. Температура звороту в циркуляційному контурі повинна бути не менше 55°C. Для установок малої потужності передбачається підтримка температури на виході на рівні 60°C. Теплові насоси стандартного виконання, що працюють на звичайному холодоагенті, досягають максимальної температури подачі від 55°C до 65°C. При максимальній температурі подачі 55°C температура ГВП становить 48°C, а при подачі 65°C – максимум 58°C. Для задоволення гігієнічних вимог температура ГВП багатоквартирних будинків повинна бути на виході з накопичувача не менше 60°C. Це можна забезпечити за допомогою бівалентної схеми (другого джерела тепла) або спеціальних теплових насосів із температурою подачі 75°C або прямим електричним нагріванням.

Розрахунок потреби у гарячому водопостачанні (ГВП)

Для оцінки потреб у європейській практиці існує кілька підходів. Для житлового сектора розрахунок проводиться згідно з німецьким будівельним стандартом DIN 4708, ч. 2. Враховуючи санітарно-побутове оснащення квартир у багатоквартирних будинках або кількість індивідуальних котеджів, а також кількість проживаючих та можливість одночасного відкриття точок водорозбору, визначається споживчий індекс N. Цей показник, разом із продуктивністю котла та вихідною характеристикою NL накопичувача, визначає основу проєктування гарячого водопостачання об'єкта.

Однак треба враховувати, що NL гарячого водопостачання за допомогою теплових насосів відрізняється від аналогічного показника для традиційних опалювальних котлів. Тому в першу чергу необхідно звертати увагу на такі важливі фактори, як:

• добова витрата води,
• максимальна (пікова) витрата,
• можливі втрати,
• теплова продуктивність обраного теплового насоса для режимів опалення та ГВП.

Потужність гарячої води повинна забезпечувати пріоритет ГВП перед режимом опалення. Для визначення повного навантаження теплопостачання необхідно спочатку розрахувати опалювальне навантаження. Після цього визначають реальне навантаження у період максимального водорозбору з урахуванням одночасного відкриття точок водорозбору. Для європейського споживача ці норми представлені в EN 15450, глава E, на прикладі сім'ї з трьох осіб. З урахуванням величини максимального навантаження ГВП визначають пікову продуктивність теплогенератора та максимальний обсяг накопичувальної ємності. Приблизно встановлено, що щодобова потреба у гарячому водопостачанні на 1 особу становить 1,45 кВт∙год. Під час розрахунку температури подачі 60°C це відповідає 25 літрам на людину щодня. Водорозбір залежить від потреб (куди витрачається гаряча вода) та навіть від часу доби.

Визначення максимальної витрати

Загальна потреба в необхідній енергії за використовуваний період Q_DPB (кВт∙год) визначається так:

Q_DPB=N _NE×Q_DPBNNE,

де:
• Q _DPBNNE – потреба в одиниці енергії за вибраний період у кВт∙год;
• N _EN – кількість користувачів із однаковим споживанням.

Виходячи із загальної потреби в енергії, розраховується кількість енергії безпосередньо для нагрівання питної води (енергії для ГВП) для використовуваного періоду V_DP (л):

де:

С w – питома теплоємність (для води дорівнює 1,163 Вт∙год/кг∙K),
t soll – задана температура гарячої води,
t cw – температура холодної води.

При розрахунку споживання енергії необхідно також враховувати втрати тепла через теплоізоляцію та від підмішування холодної води.

Втрати тепла через теплоізоляцію зазначені в технічній документації накопичувальної ємності.

Як правило, величину втрат при підмішуванні холодної води та зниження корисного об'єму накопичувальної ємності приймають у межах 15–20% від номінального об'єму ємності.

Таким чином, мінімальний обсяг накопичувальної ємності VSp-мін (л) розраховується за формулою:

V_Sp-мін=V_DP×1,15,

де 1,15 — це 15% втрат при підмішуванні холодною водою.

Розрахунок потужності теплового насоса для ГВП

Наступним кроком є розрахунок необхідної потужності теплового насоса для ГВП QWP (кВт). Цей розрахунок є необхідним для визначення навантаження ГВП за вибраний період водорозбору:

де:

• V_Sp — об'єм накопичувальної ємності (л),
• T_aufh — час розігріву ємнісного водонагрівача.

Якщо час розігріву водонагрівача невеликий, необхідно, виходячи з максимальної продуктивності теплового насоса, визначити наступне: збільшувати обсяг накопичувальної ємності або використовувати додатковий теплогенератор?

Другий варіант є кращим, особливо для багатоквартирних будинків із великими піками водорозбору, ніж збільшення первинної потужності теплового насоса, що призводить до підвищення інвестиційних витрат.

При визначенні максимальних періодів водорозбору проводиться розрахунок потужності теплового насоса для ГВП QWP (кВт), виходячи не лише з номінального навантаження протягом дня, але і з урахуванням пікового поправочного числа:

Q_WP>Q_DPT×N_NE,

де:
• N_NE — поправочне число періоду максимального водорозбору,
• Q_DPT — потужність денного споживання (кВт).

Етапи оцінки

Етапи оцінки включають:

1. Встановлення профілю навантаження.
2. Встановлення потреби в енергії для найдовшого періоду.
3. Розрахунок теоретичного обсягу накопичувальної ємності для найдовшого періоду.
4. Визначення реального обсягу з урахуванням тепловтрат через ізоляцію та підмішування.
5. Визначення необхідної потужності теплового насоса на опалення.
6. Перевірка відповідності потужності насоса періоду максимального водорозбору.

Спрощений підхід до розрахунку гарячого водопостачання від теплового насоса

Для котеджів зі стандартним санітарним обладнанням розрахунок потужності теплового насоса можна провести за спрощеною схемою: на 1 особу щодня приймається 25 л (при 60°C). Згідно з мінімальним обсягом, розраховується температура подачі. Таким чином, обсяг накопичувача (загальний) у літрах визначається за формулою:

V_Sp=V_tsoll

Необхідний обсяг ГВП при температурі t_soll (л):

де V_DP60 — необхідний об'єм ГВП при температурі 60°C в літрах.

Приклад розрахунку ГВП від теплового насоса

Розглянемо будинок, де є 6 точок водорозбору. Період максимальної витрати енергії припадає з 20:30 до 21:30 — у цей час кожна точка споживає 4,445 кВт∙год енергії для гарячого водопостачання. Ці дані враховуватимемо при проектуванні:

Q_DPBNE=4,445кВт∙год; N_NE=6; 

Q_DPB=6×4,445=26,67кВт∙год.

Потреба первинної енергії для обраного періоду становить 26,67 кВт∙год:

• c_w=0,001163кВт∙год/кг⋅K; 
• t_soll=60°C;
• t_cw=10°C.

На підставі цього:

Потреба в кількості питної води для ГВП для обраного періоду становить 459 л.

Враховуючи 15% втрат при підмішуванні, розраховуємо необхідний мінімальний обсяг накопичувальної ємності:

V_Sp-мін = 459 л×1,15=528 л.

З проведених розрахунків можна запропонувати два варіанти компонування систем:

Варіант №1 передбачає застосування накопичувача із внутрішнім теплообмінником (рис. 5). Використовуються дві накопичувальні ємності по 390 л кожна. Відповідно до технічного паспорта, втрати через теплоізоляцію становлять 2,78 кВт/24 год. Ці накопичувальні ємності передбачають можливість отримання необхідних 60°C на виході за допомогою електронагрівальної вставки у верхній частині накопичувальної ємності.

Для розрахунку візьмемо період водорозбору між 9 та 19 годинами: T_aufh=11,5 годин.

Необхідна теплова потужність споживання в зазначений період розраховується за такою формулою:

Цей показник становить 3,94 кВт.

Порівняємо його із середньодобовим споживанням:

Q_DPT=11,445 кВт∙год/24 год.

Тобто:

3,94 кВт > 2,86 кВт.

Варіант №2 передбачає використання бака із зовнішнім теплообмінником (рис. 6). У цьому варіанті використовується 750-літрова накопичувальна ємність.

Відповідно до технічного паспорта, теплові втрати становлять 3,2 кВт/24 год.

Температура на виході з накопичувальної ємності такого обсягу повинна бути не менше 60°C за гігієнічними вимогами. Тому необхідне догрівання другим теплогенератором або ТЕНом.

Спрощений розрахунок провадиться виходячи з кількості користувачів.

Наприклад, для котеджу, в якому проживають 4 особи, необхідно:

4 особи × 25 л × 2=200 л (при 60°C).

Виходячи з цього:

При температурі 50°C обсяг накопичувальної ємності дорівнює 250 л.

Системи гарячого водопостачання на основі теплових насосів та баку накопичувача ГВП є ефективним рішенням при нерівномірному споживанні гарячої води.

Поєднання теплових насосів із сучасними ємнісними водонагрівачами та технологіями автоматики робить системи ГВП надійними, енергоефективними та економічно вигідними для різних типів споживачів, від приватних будинків до комерційних та муніципальних об'єктів.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 1 889